發電機轉子匝間短路在線監測系統的製作方法
2023-10-04 02:38:24
專利名稱：發電機轉子匝間短路在線監測系統的製作方法
背景技術：
由於絕緣體的擊穿和遷移在發電機的轉子線圈之間造成的「匝間短路(short-turns)」是眾所周知的降低發電的有效性和穩定性的現象的例子。早期時候發電機磁通量探測法是一種切實可行的檢測這種匝間短路的方法。發電機磁通量探測法是由D.R.Albright於1970年開發的，這種方法被用於測量發電機氣隙磁通量的變化，磁通量的不對稱反映了轉子匝間短路的存在。通常磁通量檢測器配合連接到發電機的面板終端一起使用，然後波形將被記錄和列印出來。然而，磁通量探測器測量的使用在數據獲取和分析的方式上是勞動密集的，在這種情況下很容易導致人為的錯誤。
磁通量探測器波形的常規測量通常按照三個月的時間表來進行，因為發電機轉子匝間短路在早期並沒有顯著的症狀，通常它將隨著時間的流逝逐漸顯露出來，小的匝間短路將隨著時間的流逝日益發展和變得更加嚴重。這樣，為了減少系統停機的時間和節約進行轉子維修工作所需的人力，在較早時候還使用了一種用來識別轉子匝間短路的半自動監視系統。這個自動系統使用一臺安裝了用戶軟體和硬體的IBM PC-AT兼容計算機。使用這一系統可以顯示磁通量探測波形，它還提供了用來將數據保存為資料庫內容的應用程式，從而在某種程度上允許再現原先的數據。
這個系統的缺陷是它是人工操作的，需要人工採集每一個波形測量值。操作員必須在發電機端採集數據；而且，當在常規系統中探測到轉子匝間短路的時候不會向操作員提供告警報告，匝間短路只能由在現場的維護人員進行識別。另外，在預定的時間期間和常規的波形測量以外就不能探測到轉子匝間短路了。
發明內容
簡而言之，本發明的優選形式是一個軟硬體的結合體，為了在早期識別轉子匝間短路，它包括使用在線監視系統對磁通量探測波形進行測量的方法。更加特別的是，這一系統具有自動檢測和報告任何磁通量探測波形不對稱的特點，並且一旦檢測到異常情況可以向工作人員提供告警或者進行其他操作。
這一系統除了具有在設定的條件下自動捕捉波形用於以後分析的能力之外，還包括通過諸如計算機國際網際網路和/或企業內部網際網路對波形進行實時監測的能力。
根據下面的詳細說明並且參考附圖，本領域的普通技術人員將可以清楚地了解本發明其他的目的和優點，這些附圖中圖1是一個有8個槽的2磁極轉子的橫截面以及波形。
圖2示出了對波形的處理。
圖3示出了根據本發明的波峰和波谷的識別。
圖4是一個根據本發明的程序流程圖。
圖5是一個示出了根據本發明的主程序的各個方面的流程圖和表。
圖6示出了根據本發明的一個監視器顯示的例子。
圖7示出了根據本發明的一個實施例的系統裝配的例子圖8是一個根據本發明的將監視系統與發電系統結合的硬體安裝的例子。
具體實施例方式
在本領域眾所周知的發電機轉子磁通量探測器10通常是一個安裝在距離場實體從大約3/4英寸到大約13/4英寸之間這一極小距離的傳感器。磁通量探測器10通常需要放置在氣隙的軸的位置，並且位於非磁場楔的任何可能的位置之上。對於1990年以後出廠的GE發電設備，在設備生產的時候經常已經安裝了永久的磁通量探測器。磁通量探測器10的功能是允許測量定子氣隙的磁通量密度變化。磁通量探測器生成的波形的重點在於轉子的槽和齒之間的磁通量密度變化。槽電壓峰值的振幅是槽中的有效匝數(槽漏磁通量)和穿過槽的氣隙磁通量密度值引起的偏差的函數。匝間短路的檢測是通過將槽波形與和它相對磁極的槽相比較並確定它們之間的振幅偏差而獲得的。
圖1示出了一個2磁極轉子的橫截面，它的每一個磁極有8個槽，通常可以在發電廠見到這種轉子。圖1還示出了從磁通量探測器10得到的波形形式是與磁極面和槽的數量有關的，磁極A(8A-1A，A1-A8)、磁極B(B8-B1，1B-8B)。因此，一個完整的循環擁有總共16個波峰和16個波谷。
圖2A示出了一個典型的磁通量探測器波形，波峰和波谷的槽被編號，圖2B用圖形的形式示出了典型的波形處理，通過在磁極面正好經過的點對幻燈片進行切割，在圖中標示為線A，隨後對左半部分上下翻轉並將其放置在右半部分的上面直到與同一槽相關的波峰交疊在一起。圖2C顯示了隨後進行的可以看到的比較，這種比較是通過識別是否一個波峰的振幅發生了變形並且顯著低於相對磁極的波峰的方法進行的，如果存在這種情況，則可以確定這個槽有一個或者多個匝間短路。
本發明的實施例使用了從磁通量探測器10產生的波形。舉例來說本發明包含一個基於計算機的監視系統，它使用了例如National Instruments公司的LabView，National Instruments LabView是一個用來構建數據採集、儀器和控制系統的圖形開發環境。LabView使用了友好的用戶圖形程序，其中用戶可以創建一個提供對軟體系統進行交互控制的用戶界面。具有將監視軟體與測量硬體緊密結合的系統設計使快速開發數據採集和控制、分析、以及顯示的解決方案變得非常容易。使用具有強大的用於測量分析的內置功能的軟體和用於對性能進行優化的圖形編譯器是監視軟體所期望的特徵，而且它與諸如Windows 2000/NT/Me/9x、Mac OS、Linux、Sun System這些作業系統相兼容。
在本發明的實施例中，監視系統與發電機的磁通量探測器永久的連接在一起，這樣就為手動磁通量探測器測量處理提供了解決方法，從而對測量的可靠性、正確性和客觀性提供了重大的改善。例如在圖9中，穿過龍鼓灘發電廠發電機中的上端和下端的143或者144連接器連接數據獲取輸入端將可以連接到磁通量探測器。磁通量探測器信號可以由例如DAQ卡14捕捉以允許輸入信號送往數據處理單元16進行分析。隨後處理單元使用軟體將這些得到的數據與相對磁極對應槽的振幅進行比較，可以在計算機顯示屏20上顯示然後分析結果和其他有關的信息，以監視轉子的狀況，並觀察匝間短路的發生。一旦捕捉到這一數據，波形就可以自動地保存為文件以用於在將來需要的時候進行分析。另外系統還可以允許具有告警指示的監視畫面顯示於遠程計算機終端上，比如位於公司內聯網上的任何地方。由於數據可以在計算機上進行採集和分析，所以這些數據也可以通過將這樣的計算機連結到國際網際網路上而獲得。被廣泛使用的情況下，國際網際網路指計算機和網絡之間通過傳輸控制協議/網際網路協議(TCP/IP)進行連結。
在本發明的實施例中，採集磁通量探測器信號的硬體接口是一個6024E DAQ卡。6024E DAQ卡設備14是一個模數轉換器，在與監視硬體一起使用的時候，它在基於Windows的開發環境中反映實時的性能。6024E DAQ卡是本技術領域眾所周知的設備的一個例子，它可以從諸如磁通量探測器這樣的設備中獲得輸入，然後將這些輸入轉換為計算機可用的輸出。用戶可以使用內置的DAQ卡創建內嵌於標準的桌面計算機內部的實時的組件，一個高性能的實時系統可以和監視系統中所有的靈活而強大的工具一起工作，以創建實時的測量和分析。
例如6024E DAQ卡由16個模擬輸入通道(8個差分輸入通道)、兩個模擬輸出通道、一個68管腳的連接器和8條數字I/O線。8個磁通量探測器波形的模擬輸入對典型的發電站中的所有發電機已經足夠了。
一旦從磁通量探測器採集了數據，就會對如圖3所示的數據流中的波峰和波谷進行檢測。隨後可以對波峰和波谷的偏差進行計算，並且可以根據數據的參數使用告警機制或者其他的信號。要記住的是，最大的波峰和波谷振幅通常是在磁極表面的附近被探測到的，而且直流偏移使探測的問題變得稍微有些複雜。因此，作為一個例子，在獲得了一段時間的信號(大約20ms)以後，首先對最大和最小的振幅值進行評估。在本發明的實施例中，如果振幅大於大約4.5V，高出最大振幅的大約10％以上或者低至最小振幅的大約10％以下的電壓被作為波峰和波谷的邊界電壓。監視系統的自動波峰探測功能，例如LabView，更適宜在波峰邊界以內執行波峰識別，在波谷邊界以內執行波谷識別。為了避免對波峰的錯誤識別，首先在識別第一個波峰邊界之前對最後的波谷進行識別，這樣第一個波峰邊界探測總是用于波峰探測的第一個點。
隨後首先通過計算第一個波峰和第一個波谷之間的振幅差來計算波峰和波谷之間的偏差。然後第一個波峰和第一個波谷之間的振幅差除以第一個波峰或者波谷中間較大的一個。如果波形是對稱的，那麼在波峰和波谷之間是沒有差別的，除得的結果是零。這一過程對其他的15個邊界以內的波峰和波谷重複進行。由於氣隙磁通量密度的影響，當穿過水平軸的氣隙磁通量密度是零的時候，這一比較將更加準確。
在本技術領域中眾所周知的是，磁通量探測器波形隨著負載的改變而改變，但是對稱仍舊保持。在出現了驟然的負載變化時，例如在20ms內發生了重大的變化，其結果或許是一個大的歪斜和不對稱的磁通量探測波形，導致觀察到的波形是非對稱的。然而由於在本發明的實施例中認為驟然的負載變化將不會持續的發生，例如在確定是否發生了匝間短路之前可以獲得總共十個周期的波形。在有超過十個波形採樣中檢測到非對稱波形的情況下，已經超過了預設的值，這時才可以激活匝間短路告警或者其他的信號。
有幾個其他的因素也會影響到波形，例如當發電機沒有負載，處於空轉狀況的時候，轉子勵磁較少或者沒有，其中，記錄下的磁通量探測器波形應該有較小的振幅和較長的周期。然而，當發電機接上負載的時候波形振幅將會增加，周期將會縮小。與負載變化的情況相似，任何在發電機工作狀態下的驟然變化都可能導致觀察到波形的非對稱。根據這一點，較好的方法是在發電機的變化發生以後獲取磁通量探測器波形。在本發明的實施例中，在兩個磁極之間的波峰到波峰的波形振幅在3000rpm的情況下可能增加到超過大約4.5V，因此數據只能在振幅大於大約4.5V(3000rpm)的時候獲得。這個例子表示在發電機在開和關之間轉換的時候，對數據採集的修改允許阻止匝間短路告警的活動。然而，如果差別繼續保持較高，例如10個或者超過10個採樣，匝間短路指示器將會激活，這個指示器可能是一個燈、一個監視器屏幕元素、和/或一個控制信號。
在本發明的實施例中，如果在發電機負載增加的時候零交叉線與波形波峰值重疊，則波形數據可以自動保存。在這個點上，波形有最小的幹擾。因此，這時記錄的數據在與過去和將來的數據進行比較的時候將有明顯的參考價值。另外，為了生成一種不同的數據處理，可以創建在零交叉點的匝間短路百分比值的歷史。在波形自動捕捉和將數據保存為一個數據文件的同時，還可以獲得其他的信息，例如單元號、日期和時間信息以利於將來的數據分析。
在沒有識別到波峰或者從磁通量探測器中獲取的波形中有錯誤的時候，舉例來說，一個紅色的DAQ錯誤指示器將會亮起，另外還可以向控制操作員發送一個告警信號。可以在圖4中看到系統流程圖的例子，這裡啟動了數據採集，如果沒有發生錯誤將識別到波峰和波谷，這是可以手動的保存到文件中的。計算和顯示偏差並將偏差與設置的偏差進行比較。這個過程可以在一段時間裡重複進行，以消除報告錯誤的不可接受偏差的可能性。通常在設置的時間幀上捕捉10個波形，並且將這些波形與設置的偏差進行比較。一個可以被清零的計數器用來確定捕捉到的波形的數量。如果偏差落在了可接受的範圍之外，可能會發送一個告警並且將其記錄到文件中。
在本發明的實施例中，如圖5所示，用於監視磁通量探測器的主程序例如flux probe.vi有至少3套子程序在工作。第一套子程序例如deviation.vi計算波峰和波谷之間的振幅差；第二套子程序例如peakrecognition.vi從原始的波形中識別有用的波峰和波谷；最後一套子程序例如write to file with header.vi輸出時間和振幅、波峰和波谷信息的ASCII文件；在程序是flux probe.vi的情況下，所有生成的文件都使用擴展名.xls進行存儲。
本發明的實施例使用了一個圖形用戶界面，如圖6所示，這種界面可能是例如印表機和/或計算機監視器。尤其是，在flux probe.vi的例子中的主程序和圖形用戶界面生成下面的界面信息1、實時磁通量探測器測量。
2、有用的波峰和波谷被突出標示。
3、可選擇的採樣率。
4、可選擇的和可接受的振幅偏差。
5、測量到的最大振幅偏差和相應的槽號。
6、檢測到的波峰和波谷數量。
7、16個波峰和波谷振幅偏差。
8、通道(處於監視下的發電機單元號)。
9、紅色的DAQ輸入錯誤指示。
10、紅色的匝間短路指示。
本發明的一個實施例可以配置和安裝為具有用戶可以修改磁通量探測器中採集數據的方式的能力。這種能力允許用戶在採集的數據的基礎上擴展其正確性和精確性。例如數據採樣率可以如下設置低頻分量的周期20ms從一個磁極的表面到相對磁極的時間10ms每個磁極的槽8從一個磁極到相對磁極經過的槽16每個槽的平均時間(高頻周期)10ms/16＝625μs最小採樣周期625μs最小採樣速率每秒鐘(312.5μs)-1＝3200個樣值為了擁有可接受的時間解析度，採樣速率＞＝5*3200sps＝16ksps。
本發明的實施例中的解析度和程序響應時間是可以設置的，例如設置為8比特的解析度。在這樣的一個測量中，最大誤差是1/(28-1)＝0.392％，這比在傳統的數據採集實踐中可以看到的視覺偏差要小得多。由於響應時間並不是很重要，所以1到2秒的最大響應時間應該是可接受的。
實現圖7中所示的監視系統涉及考慮基於諸如發電機數量、數據採集要求、和算法複雜度這些因素的系統要求。然後需要確定一個適當的軟體平臺，例如LabView。還要將數據獲取接口實際地連接到發電機上。例如，如果使用National Instrument DAQ卡6024E作為模數轉換器，最大可以連接4臺發電機磁通量探測器。例如在DAQ卡和磁通量探測器之間可以通過一條BNC電纜進行連接。正如在本領域眾所周知的，應該理解的是用來傳輸這樣的信號的任何設備都是可以使用的。在其中的一個上安裝模數轉換器，如圖9所示，例如在一個龍鼓灘發電廠發電機中，轉換器通過連接穿過上端和下端的143或者144連接器的數據獲取輸入端連接到發電機面板上，用來採集數位訊號的計算機是Celeron臺式機，它適合於用作實際的測量。
由於不同種類的發電機的磁通量探測器波形可能有其自己的波形特徵，可以通過對軟體程序的修改而修正波峰/波谷檢測方法。通常根據這種修正，對程序進行修改以後需要一個考驗期以測試系統的可靠性。
使用了LabView軟體的本發明實施例中的監視軟體和硬體的執行所考慮到的目標包括1、持續地進行監視和分析。
2、有目標的、基於規則的波形分析。
3、遠程監視。
4、同時監視多達4臺發電機。
5、在匝間短路發生的時候立刻作出反應。
6、提供本地和遠程的告警輸出以提醒操作員。
7、在匝間短路發生的時候自動將波形保存為文件。
8、輸出捕捉的波形文件以進行分析。
9、成本效率高並且安裝簡單。
10、用戶友好的LabView背景。
11、通過公司內聯網在線監視。
在本發明的實施例中的軟體和硬體安裝包括在計算機中安裝下列軟體LabView完全/專業開發系統LabView實時運行引擎隨後數據獲取硬體的安裝可以和測量和自動化瀏覽器的安裝一同進行，該瀏覽器通常可以在與數據獲取硬體一同發送的CD-ROM中找到。另外，如果已經安裝了開發系統，應該在源文件可以運行的地方執行可執行程序，或者在僅僅安裝了實時運行引擎的情況下運行可執行文件。
在本發明的實施例中使用了LabView，採集數據、解釋結果、輸出數據文件以及結束程序是按下面所述的步驟完成的從波形文件中採集數據1、從波形源文件中選擇文件2、選擇任何下列形式的波形文本文件Time 1，tabAmplitude 1CR
Time 2，tabAmplitude 1CR
這裡的CR對應於ASCII碼13，tab對應於碼9，波形文件隨後被導入到系統中。
從DAQ卡中採集波形數據1、將DAQ卡選擇為波形的源。
2、調整採樣的數量和採樣率，使採樣的數量除以採樣率大於線周期的兩倍。
闡明結果以分析波形的形式顯示波形和識別到的波峰和波谷。如果波峰的數量與波谷的數量不相等，或者波峰和波谷之間的偏差超過了可接受的水平，紅色的匝間短路燈將亮起。如果沒有識別到波峰或者在獲得的波形中有錯誤，紅色的錯誤燈將亮起。對於文件和Comp Sine波形源，只有通道的燈會對輸入進行響應，同時對於DAQ卡輸入，燈將會針對它們相應的通道進行響應。
輸出到數據文件按下保存按鈕將顯示一個對話框提示將要寫入的文件，文件的格式將會是Time Tab Input Amplitude Tab Peak time Tab Peak AmplitudeTab Valley Time Tab Valley Amplitude CR
這裡，第一行是頭，其他行是數據，「0」表示空的波谷和波峰值。
程序結束激活STOP按鈕將終止程序的運行，並且返回開發或者退出程序。
權利要求
1.一種自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，該方法包含下列步驟將從磁通量探測器中接收的數據轉換為數字形式；在實際上持續的時間周期上採集數字形式的數據；識別數據的最大和最小振幅值；設置波峰和波谷檢測的邊界標準；識別波峰和波谷；對波峰和波谷進行比較，並計算波峰和波谷之間的偏差；確定波峰和波谷的比較是否是可接受的；和如果波峰和波谷是不可接受的，則產生一個信號。
2.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中採集數字形式數據的步驟的周期是大約20ms。
3.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中設置用于波峰和波谷探測的邊界標準的步驟包含設置第一電壓標準為最大振幅值以下10％，以及設置第二電壓標準為最小振幅值以上10％。
4.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中比較波峰和波谷、以及計算波峰和波谷之間的偏差的步驟包括a)計算第一個識別的波峰和第一個識別的波谷之間的振幅差值；b)比較計算出來的波峰和波谷之間的差值；c)對其他的每一個已經識別的波峰和波谷重複步驟a)和b)。
5.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中對波峰和波谷的比較包括對識別到的波峰和波谷的數量進行計數，並進一步包含下面的步驟確定波峰的數量是否與波谷的數量匹配；如果波峰的數量與波谷的數量不匹配，發送一個信號。
6.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中確定對波峰和波谷的比較是否是可接受的步驟包括a)從對波峰和波谷的比較中識別偏差；b)識別用戶設置的值；c)確定對波峰和波谷比較的偏差是否大於用戶設置的值；d)如果這個偏差大於用戶設置的值，就認為這個偏差是不可接受的。
7.如權利要求6所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟對多個的採樣值執行步驟a)到c)；和如果在多個採樣值中有預先設定的數量的採樣值大於用戶設置的值，則認為這個偏差是不可接受的。
8.如權利要求7所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，其中預先設定的數量大於10。
9.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟在識別了波峰和波谷以後顯示波形。
10.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟在計算了波峰和波谷的偏差以後顯示這個偏差。
11.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟在識別了波峰和波谷的偏差以後將波形發送到一個文件中。
12.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟在屏幕上顯示實時的磁通量探測器測量；在屏幕上突出顯示有用的波峰和波谷；在屏幕上顯示可選的採樣率；在屏幕上顯示可選的可接受的振幅偏差；在屏幕上顯示經過測量的最大振幅偏差和對應的槽號；在屏幕上顯示檢測到的波峰和波谷的數量；在屏幕上顯示過去的歸一化的振幅偏差；在屏幕上顯示對應於被監視的發電機的號碼；在屏幕上顯示數字數據採集指示器；在屏幕上顯示匝間短路指示器；在屏幕上顯示歸一化的振幅偏差條形圖；在屏幕上顯示可選擇的採樣數量；在屏幕上顯示匝間短路告警計數器；在屏幕上顯示零交叉的波峰；在屏幕上顯示常規保存計數器；在屏幕上顯示觸發器電平指示器；在屏幕上顯示有功功率(MW)指示器；在屏幕上顯示無功功率(MVAR)指示器。
13.如權利要求1所述的用於自動識別磁通量探測器波形的缺陷的方法，進一步包含下面的步驟在識別了波峰和波谷的偏差以後將波形發送到一個文件中。
全文摘要
一種通過從磁通量探測器生成的信息自動識別發電機轉子匝間短路的方法。本發明使用了自動告警功能向遠程的操作員發出發電機轉子問題的告警，並同時允許將轉子問題的情況自動記錄下來用於將來的分析。本發明允許持續地對發電機進行監視以發現存在的匝間短路。本發明包含一個新的波峰和波谷之間偏差的計算方法。
文檔編號G01R31/34GK1548976SQ0314893
公開日2004年11月24日 申請日期2003年7月1日 優先權日2003年5月6日
發明者馮松偉 申請人:中華電力有限公司